对流换热的理论基础

在我想变的对流传热过程中对流传热是一种常见的热传导方式，它在日常生活和工业生产中都有广泛应用。

在这篇文章中，我们将探讨对流传热的原理、应用和影响因素，并从人类的视角出发，描述这一过程。

一、对流传热的原理对流传热是指热量通过流体的流动而传递的过程。

在自然界中，对流传热常常发生在气体和液体中，由于流体的流动，热量可以通过流体的传递而实现。

这一过程主要分为自然对流和强制对流两种情况。

自然对流是指在没有外力作用下，由于温度差异而导致的流体的自发流动。

例如，我们常常可以观察到热水壶中的水自然对流现象，当壶底加热时，底部的水受热膨胀，形成一个上升的热流，同时冷却的水则下沉，形成一个下降的冷流，这样就实现了热量的传递。

强制对流是指在外力的作用下，流体被迫流动，从而实现热量的传递。

例如，我们常常可以观察到风扇吹过的空气对热量的传递。

风扇产生的气流使空气迅速流动，使热量从一个地方传递到另一个地方，这就是强制对流。

二、对流传热的应用对流传热在日常生活中有着广泛的应用。

首先，对流传热在空调和暖气系统中起着重要作用。

空调系统通过强制对流将室内的热量带走，从而降低室内的温度。

暖气系统则通过强制对流将热量传递到室内，提高室内的温度。

这些系统使我们在不同季节里都能享受到舒适的温度。

对流传热在汽车散热系统中也起着重要作用。

汽车发动机产生的热量需要及时排出，以保证发动机的正常工作。

散热器通过对流传热的方式，将发动机产生的热量传递给空气，从而实现散热。

对流传热还广泛应用于工业生产过程中。

例如，化工厂中的反应釜需要通过对流传热的方式控制温度，保证反应的进行。

工业炉窑中的燃烧过程也需要对流传热来实现热量的传递。

三、对流传热的影响因素对流传热的效率受到多个因素的影响。

首先是流体的性质，不同的流体具有不同的热导率和粘度，这会影响对流传热的效果。

其次是流体的流动速度，流体的流动速度越大，对流传热的效果越好。

再次是传热表面的特性，传热表面的面积越大，对流传热的效率越高。

第八讲对流换热convection heat transfer§8-1 对流换热基本概念一、对流换热过程：对流：是指物体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺混所引起的能量传递方式，必有导热。

对流换热：流体流过一物体表面时对流与导热联合作用的热量传递过程。

牛顿冷却定律Newton’s law of coolingwt ft 如：f w t t t -=∆th q ∆=hAtt Ah qA Φ1∆=∆==为对流传热热阻hA R 1=二、流动边界层1. 流动(速度)边界层：靠近壁面处流体速度发生显著变化的薄层边界层的厚度(boundary layer thickness):达到主流速度的99%处至固体壁面的垂直距离边界层的特点(1) 有层流(laminar flow),紊流(turbulent flow)之分.•分界点Re c=3X105~3X106,一般可取Re c=5X105•在湍流区,贴壁面还有一极薄的层流底层（粘性底层）(2) δ=δ(x) x↑δ(x)↑(3) δ(x) << x δ(L) << L(4) 流场分为: 主流区(undisturbed flow regime)(potential)边界层区(boundary regime)三、换热微分方程无滑移边界条件（傅里叶定律）0=∂∂-=y yt A λΦ变化率贴壁处流体的法向温度式中：→∂∂=0y y t 联立，得与牛顿冷却公式t hA ∆=Φ0=∂∂-=y y t t h ∆λ四、影响对流换热的因素⏹流动产生的原因：受迫流动，自然对流⏹流体流动情况：层流（Re<2300），紊流（Re>10000）⏹流体的物性：ρ、λ、η等⏹换热面的形状和位臵⏹流体集态的改变§8-2 对流换热基本方程组1.连续性方程(continuity equation)0=∂∂+∂∂yv x u •2.动量方程(momentum equation)⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂+∂∂-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂+∂∂⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂+∂∂-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂+∂∂22222222y v x v y p F y v v x v u v y u x u x p F y u v x u u u y x ητρητρ惯性力(inertial force)体积力(body force)压力梯度(pressuregradient)粘性力(viscous force)3.能量守恒方程（energy equation)⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂=∂∂+∂∂+∂∂2222y t x t a y t v x t u t τ能量变化对流项导热项以此五个量为分析基础。

第五章对流换热分析通过本章的学习，读者应熟练掌握对流换热的机理及其影响因素，边界层概念及其应用，以及在相似理论指导下的实验研究方法，进一步提出针对具体换热过程的强化传热措施。

5.1 内容提要及要求5.1.1 对流换热概述1．定义及特性对流换热指流体与固体壁直接接触时所发生的热量传递过程。

在对流换热过程中，流体内部的导热与对流同时起作用。

牛顿冷却公式q h(t w t f ) 是计算对流换热量的基本公式，但它仅仅是对流换热表面传热系数h 的定义式。

研究对流换热的目的是揭示表面传热系数与影响对流换热过程相关因素之间的内在关系，并能定量计算不同形式对流换热问题的表面传热系数及对流换热量。

2．影响对流换热的因素（1）流动的起因：流体因各部分温度不同而引起密度差异所产生的流动称为自然对流，而流体因外力作用所产生的流动称为受迫对流，通常其表面传热系数较高。

（2）流动的状态：流体在壁面上流动存在着层流和紊流两种流态。

（3）流体的热物理性质：流态的热物性主要指比热容、导热系数、密度、粘度等，它们因种类、温度、压力而变化。

（4）流体的相变：冷凝和沸腾是两种最常见的相变换热。

（5）换热表面几何因素：换热表面的形状、大小、相对位置及表面粗糙度直接影响着流体和壁面之间的对流换热。

综上所述，可知表面传热系数是如下参数的函数h f u, t w , t f , , c p , ,,, l这说明表征对流换热的表面传热系数是一个复杂的过程量，不同的换热过程可能千差万别。

3．分析求解对流换热问题分析求解对流换热问题的实质是获得流体内的温度分布和速度分布，尤其是近壁处流体内的温度分布和速度分布，因为在对流换热问题中“流动与换热是密不可分”的。

同时，分析求解的前提是给出正确地描述问题的数学模型。

在已知流体内的温度分布后，可按如下的对流换热微分方程获得壁面局部的表面传热系数由上式可有h xtt x yW/(m 2 K)w,x其中为过余温度，h xxyW/(m 2 K)w,x对流换热问题的边界条件有两类，第一类为壁温边界条件，即壁温分布为已知，待求的是流体的壁面法向温度梯度；第二类为热流边界条件，即已知壁面热流密度，待求的是壁温。

水的对流换热系数水的对流换热系数是描述流体内部传热能力的一个重要参数。

它反映了水在流动时，通过对流方式传递热量的效率。

对流换热系数的大小直接关系到传热速率以及工程设备的热设计。

1. 对流换热过程的基本概念对流换热是指通过流体的流动来实现传热的现象，可以分为自然对流和强制对流两种形式。

自然对流是指在无外加力作用下，由密度差异引起的流动；而强制对流则是利用外加力的作用使流体强制流动。

对流换热系数则是描述流体流动状态下传热能力的量化指标。

2. 影响水的对流换热系数的因素水的对流换热系数受到多种因素的影响，主要包括以下几个方面：2.1 流动速度：流动速度是影响对流换热系数的重要因素之一。

一般而言，流体的流动速度越大，对流换热系数也就越大。

因为高速流动可以增大接触面积，并且破坏热边界层，加强传热效果。

2.2 流体性质：水的物理性质对对流换热系数同样有显著影响。

水的导热系数较高，流体的热导率也就较高，对流换热系数也将较大。

2.3 流动状态：流动状态是指流体在管内的流动形式，如层流和湍流。

实验表明，当水在管内呈现湍流状态时，对流换热系数明显大于层流状态。

这是因为湍流能够增大流体的混合程度，提高传热效果。

2.4 传热面积：传热面积是指热量传递的表面积。

当传热面积增大时，给定流体流速下，对流换热系数也将增大。

3. 实际应用中对水的对流换热系数的估算在实际工程应用中，对于水的对流换热系数的估算，一般采用经验公式或者计算流体力学模拟方法。

3.1 经验公式：经验公式是通过大量研究和实验总结得到的经验关系。

对于水的对流换热系数，有很多的经验公式可供选择，如劳埃德公式、乌尔斯奥拉公式等。

这些公式通常基于实验数据，对于特定的流动状态、流速和传热面积大小，可以提供一个较为准确的估算值。

3.2 计算流体力学模拟方法：计算流体力学模拟方法是通过数值计算的方式，对流体流动和传热过程进行模拟和分析。

这种方法可以考虑更多细节，如流体粘性、湍流效应等。

换热器工作原理引言概述：换热器是一种常见的热交换设备，广泛应用于工业生产和日常生活中。

它通过传导、对流和辐射等方式，实现热量的传递和平衡。

本文将详细介绍换热器的工作原理，包括热量传导、对流换热、辐射换热、换热器的类型和应用。

一、热量传导1.1 热传导的基本原理热传导是指热量通过物质内部的分子振动和碰撞传递的过程。

它遵循热量从高温区向低温区传递的规律，符合热力学第二定律。

热传导的速率与物质的导热性能有关，导热性能好的物质能够更快地传递热量。

1.2 热传导的影响因素热传导的速率受到多个因素的影响，包括物质的导热系数、温度差、物质的厚度和面积等。

导热系数是物质传导热量的能力，不同物质的导热系数差异很大。

温度差越大，热传导速率越快。

物质的厚度和面积越大，传导热量的能力越强。

1.3 热传导的应用热传导在换热器中起着重要作用。

通过合理设计换热器的传热面积和材料选择，可以提高热传导效率，实现热量的高效传递。

在工业生产中，热传导广泛应用于蒸汽发生器、冷凝器等热交换设备。

二、对流换热2.1 对流换热的基本原理对流换热是指热量通过流体的对流传递的过程。

在对流换热中，热量通过流体的传导和对流两种方式进行传递。

对流换热的速率与流体的流速、温度差、流体的物性等有关。

2.2 对流换热的影响因素对流换热的速率受到多个因素的影响，包括流体的流速、温度差、流体的物性、流体的流动方式等。

流速越大，对流换热速率越快。

温度差越大，热量传递越快。

流体的物性如导热系数、比热容等也会影响对流换热的效果。

2.3 对流换热的应用对流换热广泛应用于换热器中，例如散热器、冷却塔等。

通过合理设计换热器的流体通道和流速，可以提高对流换热效率，实现热量的快速传递。

在工业生产中，对流换热被广泛应用于空调系统、汽车发动机冷却系统等领域。

三、辐射换热3.1 辐射换热的基本原理辐射换热是指热量通过电磁辐射传递的过程。

所有物体都会发射电磁辐射，辐射的强度与物体的温度有关。